管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱及管板強(qiáng)度研究.pdf

1、由于結(jié)構(gòu)牢固，承受壓力和溫度的能力高，設(shè)計(jì)、制造和使用成熟，管殼式換熱器作為應(yīng)用最為廣泛的換熱設(shè)備在許多裝置的關(guān)鍵位置上發(fā)揮著重要作用。然而，與新型換熱器相比，管殼式換熱器在傳熱效率及結(jié)構(gòu)緊湊性方面存在不足。另一方面，在管殼式換熱器中，管板是最重要組件之一，其強(qiáng)度對于換熱器的安全至關(guān)重要。因此，提高管殼式換熱器的傳熱效率以及進(jìn)行管板強(qiáng)度研究具有重要理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。
　　本論文在完成部分實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，應(yīng)用有限元方法就一些

2、特殊結(jié)構(gòu)折流板和換熱管構(gòu)建的換熱器進(jìn)行了流動、傳熱的模擬和綜合性能比較。同時(shí)對管板的輕量化方法以及U型管或浮頭式換熱器管板的熱應(yīng)力進(jìn)行了研究。主要工作和結(jié)論如下:
　　(1)通過對由弓形折流板、大小孔折流板、大小孔弓形折流板與波紋管、直管等5種結(jié)構(gòu)所構(gòu)建的六種換熱器進(jìn)行了傳熱性能實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比于弓形折流板，大小孔折流板與大小孔弓形折流板有更低的殼程流動阻力，但殼程傳熱系數(shù)略低于弓形折流板;而使用波紋管可以將傳熱效率提高3

3、0～38％。
　　(2)在得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，對這6種換熱器進(jìn)行了比較系統(tǒng)的流場流動和傳熱的數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明，大小孔折流板與大小孔弓形折流板換熱器中殼程流體的縱向流動明顯加強(qiáng)，同時(shí)大孔處的射流可以有效的強(qiáng)化傳熱并提升場協(xié)同性，減小流動死區(qū);波紋管的湍流程度較高，同時(shí)場協(xié)同能力較好從而顯著地強(qiáng)化了傳熱。若以傳熱系數(shù)與壓降之比來衡量六種換熱器的性能，則大小孔弓形折流板波紋管換熱器的性能最好，這種換熱器具有良好的綜合性能與應(yīng)用前

4、景。
　　(3)將壓力容器分析設(shè)計(jì)方法與有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)相結(jié)合對某U型管換熱器的管板進(jìn)行了參數(shù)化輕量化設(shè)計(jì)。研究發(fā)現(xiàn)，合理地建立路徑并參數(shù)化可以將分析設(shè)計(jì)中應(yīng)力分類的校核方式直接嵌入管板的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法中，從而有效提升管板輕量化計(jì)算的效率;對于本論文所分析的換熱器，依本論文方法進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)后比常規(guī)設(shè)計(jì)得出的管板厚度減薄了31％;同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，承受壓力載荷作用時(shí)，決定管板厚度的關(guān)鍵因素是管板中心處的膜加彎應(yīng)力強(qiáng)度，而與膜應(yīng)力相比，管板上

5、膜加彎應(yīng)力水平對管板的厚度更敏感。
　　(4)就U型管或浮頭式換熱器管板的熱應(yīng)力問題，利用有限元方法對于管板的溫度場進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)，管板中溫度場的分布受換熱管內(nèi)的熱載荷影響較大;管板厚度的改變會影響有孔區(qū)域管程側(cè)與無孔區(qū)域的溫度場;管板上的溫度梯度與管殼程對流傳熱系數(shù)的大小有關(guān)，相對于管程傳熱系數(shù)，殼程傳熱系數(shù)對管板溫度場的影響更明顯;換熱管與管板之間的接觸熱阻會導(dǎo)致管板有孔區(qū)域整體溫度梯度的降低。
　　(5)在溫度場分析